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XXX Aniversario de Biotecnología y Bioingeniería

Celulasas y xilanasasen la industria

Teresa Ponce Noyola yOdilia Pérez Avalos

Las celulasas y xilanasas son enzimas hidrolíticas queparticipan en el rompimiento de los enlaces glicosídicosß-1,4 presentes en los polisacáridos celulosa y hemi-celulosa, respectivamente. El interés por las celulasas yxilanasas empezó alrededor de los años 50 debido a suenorme potencial para convertir la lignocelulosa en glucosay azúcares solubles. Cabe señalar que la lignocelulosa esla fuente de energía renovable más abundante de la tierra.Está formada por tres componentes principales que son:celulosa, hemicelulosa y lignina, y su contenido es bajoen cenizas, proteínas, grasas y ceras1.

Producción y regulación

Las celulasas y xilanasas son producidas por una granvariedad de microorganismos entre los que se encuentranhongos y bacterias. La mayoría de los microorganismoscelulolíticos son capaces de producir tanto celulasas comoxilanasas; sin embargo, algunos otros sólo producencelulasas o xilanasas. La producción microbiana de estasenzimas está sujeta a diferentes mecanismos de re-gulación. A partir de los estudios realizados tanto enhongos como bacterias se ha propuesto un modelo ge-neral de regulación controlado por dos mecanismos prin-cipalmente. Por un lado, la inducción que se lleva a cabopor sus sustratos naturales celulosa y xilana para lascelulasas y xilanasas, respectivamente, y por otro larepresión por fuentes de carbono de bajo peso molecularcomo glucosa y celobiosa para el caso de las celulasas, yxilosa, arabinosa o xilobiosa para las xilanasas. Estemodelo sugiere, además, la existencia de un nivel basal

La Dra. Teresa Ponce Noyola es investigadora titular del Departamentode Biotecnología y Bioingeniería del Cinvestav. La M. en C. OdiliaPérez Avalos es auxiliar de investigación del mismo departamento.Dirección electrónica:tponce@mail.cinvestav.mx

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de enzimas; aquí el microorganismo sintetiza y exporta ala superficie celular pequeñas cantidades de enzimas, queinician la hidrólisis del sustrato y producen pequeñosoligosacáridos que entran a la célula siendo los verdaderosinductores que encienden la transcripción de los genes(figura 1)2.

Modo de acción

Celulasas. El término celulasas involucra un complejo de,por lo menos, tres actividades diferentes, las que a su vezexisten en una multiplicidad de formas para llevar a cabola hidrólisis total de la celulosa. De esta manera las endo-ß-1,4-glucanasas (E.C. 3.2.1.4) rompen al azar los en-laces internos de la molécula en las regiones amorfas,producen un rápido decremento en la longitud de lacadena y un lento incremento de los grupos reductoreslibres. Las exo-ß-1,4-glucanasas (E.C. 3.2.1.91) remue-ven unidades de glucosa o celobiosa a partir del extremolibre no reductor de la cadena de celulosa, dando comoresultado un incremento rápido en los azúcares o gruposreductores y poco cambio en el tamaño del polímero.Finalmente la ß-glucosidasa (E.C. 3.2.1.21) hidroliza la

celobiosa producida por las actividades anteriores, dandocomo producto final la glucosa (figura 2)3.

Xilanasas. Las xilanas son heteropolisacáridos y sudegradación total para producir xilosa y/o arabinosa esllevada a cabo, como en la celulosa, por un grupo de en-zimas que participan sinergísticamente. Las más conocidasson las endo-ß-D-xilanasas (E.C. 3.2.1.8), las cuales rom-pen al azar los enlaces glicosídicos de la cadena principalde la molécula. La arabinofuranosidasa (E.C. 3.2.1.55)hidroliza las cadenas laterales de arabinosa, mientras quelas acetil xilan esterasas (E.C. 3.1.1.72) liberan gruposacetatos. La glucoronidasa (E.C. 3.2.1.139) remueve lascadenas laterales de ácido glucorónico a partir de unidadesde xilosa. Las ß-xilosidasas (E.C. 3.2.1.37) son enzimasactivas sobre oligosacáridos cortos, llevando a cabo lahidrólisis de los enlaces ß-1,4-aril-xilopiranósidoproduciendo xilosa (figura 3)4.

Aplicaciones

La biotecnología de las celulasas y xilanasas empezó alprincipio de los años 80, primero en la alimentación ani-

Figura 1. Aplicación de celulasas y xilanasas en la industria.

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mal seguida por aplicaciones en la industria de alimentos.Posteriormente estas enzimas empezaron a usarse en lasindustrias de lavandería, textil y de la pulpa y papel. Enlas últimas dos décadas su uso se ha incrementado enforma considerable y actualmente representan cerca del20% del mercado mundial de las enzimas. A continuaciónse mencionan algunas de las aplicaciones más im-portantes.

Celulasas. En la industria textil las celulasas jueganun papel muy importante en el desteñido de mezclilla yaque se usan para remover el color azul índigo y dar unaapariencia de desteñido/deslavado (biostoning-biobleaching). Tradicionalmente el desteñido de este tipode prendas se efectuaba con piedra pómez (stone wash).Una pequeña cantidad de enzima puede sustituir varioskilos de piedras. Con la reducción de las piedras se pro-duce menos daño a las telas, menos desgaste de laslavadoras y menos polvo de piedra pómez en el ambientede la lavandería5. El biostoning ha abierto nuevasposibilidades en el acabado de tela vaquera, aumentandola variedad de tratamientos de acabado. También se in-crementa la productividad del proceso de deslavado, yaque las lavadoras contienen menos piedras y más prendas.

Por otro lado, las celulasas se añaden a los detergentesquita pelusas, la enzima degrada las microfibrillas que seseparan parcialmente de las fibras principales, restitu-yendo a las fibras una superficie suave y a la prenda sucolor original. Dentro de la industria alimentaria, lascelulasas se usan para favorecer la extracción y filtraciónde jugos de frutas o verduras, filtración de mostos,extracción de aceites comestibles, etc. Asimismo se usanen la hidrólisis parcial de materiales lignocelulósicos paramejorar la digestión de rumiantes. Por otra parte, losdominios de unión a celulosa se han usado con granéxito sobre una matriz de celulosa para facilitar lapurificación de proteínas recombinantes6.

Xilanasas.Una de las aplicaciones más importantesde las xilanasas es en la industria de la pulpa y del papel.El pulpeo Kraft involucra el cocimiento alcalino de lapulpa para remover el 95% de la lignina presente en lamadera. El 5% remanente le confiere a la pulpa el colorcafé pardo oscuro. Por razones estéticas y para mejorarlas propiedades del papel es necesario un paso deblanqueo, el cual tradicionalmente se hacía por unproceso multietapas, que utiliza cloro o dióxido de cloro.Los productos alternos de estos compuestos químicos son

Figura 2. Aplicación de las celulasas en detergentes quitapelusas.

Figura 3. Aplicación de las D-xilanasas en la industria de lapulpa y el papel.

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sustancias orgánicas cloradas, algunas de las cuales sontóxicas, mutagénicas, persistentes y bioacumulativas quecausan numerosos daños en los sistemas biológicos. Enlos últimos diez años, la industria de la pulpa y el papelutiliza mezclas de xilanasas en el proceso de bioblanqueo,con esto se ha logrado realzar la brillantez de las pulpas ydisminuir la cantidad de cloro utilizado en las etapas deblanqueo, además de resultar muy efectivas con respectoa los costos.

Hoy en día, un número significativo de fábricas entodo el mundo utilizan el proceso completo de blanqueocon xilanasas. Además, diferentes productos, incluyendopapeles para revistas y papeles con determinado tejidoque son manufacturados con pulpas tratadas enzi-máticamente, han sido introducidos al mercado con éxito.

Cabe señalar que es indispensable que la preparaciónde xilanasas esté completamente libre de celulasas, yaque esto traería serias implicaciones económicas entérminos de pérdida de celulosa, calidad de la pulpadegradada y un incremento en los costos del tratamientode efluentes. Las xilanasas, como las celulasas, tambiénse usan en la industria alimentaria en la clarificación dejugos y vinos, licuefacción de mucílago de café; extracciónde saborizantes y pigmentos, aceites de plantas y semillas;maceración de materia vegetal; acondicionamiento de

piensos para aves y cerdos y en la industria de lapanificación, entre otras7.

En la industria de la panificación las xilanasas,especialmente la endo-1,4-ß-xilanasa, se adicionan a lamasa para mejorar su calidad, obteniéndose productosde panadería con mejor textura y sabor. El efecto de lasxilanasas es incrementar el volumen específico de lospanes, sin provocar un efecto colateral negativo en elmanejo de la masa. Este efecto sobre el mejoramientodel volumen del pan puede atribuirse a la distribución deagua de la fase del pentosano presente hacia la del glu-ten, resultando eventualmente en un mejor horneado8.Asimismo, se ha publicado recientemente que lasarabinasas, ß-L-arabinofuranosidasas, ß-L-arabino-furanohidrolasas y esterasas juegan un papel importanteen la textura, calidad y propiedades sensoriales de losproductos de panificación(figura 4)9.

Futuro de la tecnologíaenzimática

El progreso de la biotecnología de celulasas y xilanasasha llamado la atención a nivel mundial, ya que losmétodos tradicionales de producción de enzimas pueden

Figura 4. Aplicación de xilanasas en la industria de la panificación.

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ser demasiado prolongados hasta la obtención de laenzima purificada. Por esta razón nace la necesidad debuscar nuevas alternativas que permitan la obtención deenzimas en tiempos cortos y con propiedades bioquímicasadecuadas para el proceso en el cual va a usarse. Unade ellas es la obtención de cepas productoras de xilanasaso celulasas mejoradas genéticamente para la hiperpro-ducción de estas enzimas, con técnicas de genética clásicao bien por biología molecular.

Nuestro grupo de trabajo cuenta con una bacteriacelulolítica, Cellulomona flavigena (CDBB-531), la cuales capaz de producir tanto celulasas como xilanasas alcrecer en cualquier residuo agrícola como sustrato; sinembargo, el mejor inductor del sistema celulasas/xilanasases el bagazo de caña10. A partir de esta bacteria se haobtenido una mutante (PN-120) que produce 2 veces máscelulasas y 4 veces más xilanasa que la cepa silvestre.

Por otra parte, para conocer la arquitectura molecu-lar y los mecanismos de regulación involucrados en labiosíntesis de estas enzimas, se han aislado y carac-terizado hasta el momento tres genes; xyncflA que codificapara una xilanasa, celcflA que codifica para unacelobiohidrolasa y celcflB que codifica para unaendoglucanasa. La creciente demanda de celulasas yxilanasas y su gran potencial en biotecnología nos llevana continuar con los estudios multidisciplinarios de estoscomplejos enzimáticos.

Notas

1. D.B. Rivers, H.G. Emert, Biol. Wastes 26, 199 (1988)

2. Ch. Gong, G.T. Tsao, Ann. Rep. Ferment. Process 3,111(1979).

3. B.S. Montenecourt, D.E. Eveleigh, TAPPI 28,101(1979)

4. P. Biely, Hemicellulose and hemicellulases , Ed.Coughlan y Hazlewood (Portland Press Research Mono-graph, 1993) p. 29.

5. H. Esterbauer et al., Technol. 36, 51(1991).

6. E. Ong, Bioseparation 5, 95 (1995).

7. N. Kulkarni, A. Shendye, R. Mala, FEMS Microbiol.Rev. 23, 411 (1999).

8. J. Matt et al., Progress in Biotechnology 7, 349 (1992).

9. K. Poutanen, Trends Food Sci. Technol. 8, 300 (1997).

10. O. Pérez-Avalos, T. Ponce-Noyola, I. Magaña-Plaza,M. de la Torre-Martínez, Appl. Microbiol. Biotechnol. 46,405 (1996).